3D打印的“高温合金”可以提高发电厂的效率

2023年6月19日，南极熊获悉，一种被称为超级合金的新型高性能金属合金可以帮助发电厂、航空航天和汽车工业中使用的涡轮机提高效率。

这种超级合金是通过使用3D打印技术创建的，它由六种元素的混合物组成。这些元素相互作用形成一种比传统涡轮机械所使用的标准材料更轻、更坚固的材料。这种强韧的高温合金有望帮助工业降低成本和碳排放，前提是这种方法能够成功地进行规模化生产。

△MPES样品在不同放大倍数下的竣工（A 和 B）和热处理后（C 和 D）微观结构的SEM图像

新合金研发技术背景

近年来，在材料科学领域，对新金属合金的研究持续升温。一个多世纪以来，我们一直依赖于相对简单的合金，比如含有98%铁的钢，来构建制造业和建筑业的基础。然而，如今的挑战要求更多：我们需要合金能够在更高温度下保持强度，承受压力，同时又要轻量化。

长期以来，工程师们一直致力于优化用于涡轮机的材料，这些涡轮机在发电厂中起着将机械能转化为电能的关键作用。然而，即使是最先进的材料，如镍基和钴基超级合金，在极高温度下的暴露下也会出现退化和性能下降的问题。

这就是为什么在过去二十年里，科学家们一直在研究复杂合金的原因之一。这些合金由多达六种不同的金属组成。通过精确调整构成超级合金的元素比例，科学家们希望发现新的原子级相互作用，从而获得有益的特性。然而，由于元素组合的比例几乎是无限的，针对特定应用优化这些合金是一个巨大的挑战。

△该研究题目为“高温下的极高硬度与轻质的多元素超级合金的增材制造”（传送门）

增材制造实现创新多材料合金

一种有前途的方法是利用3D打印技术，它使研究人员能够精确控制不同金属的相对比例。这种方法使用强大的激光快速熔化金属的固态粉末，并将其逐层沉积以实现精确的合金构成。

由新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室Andrew Kustas领导的研究团队，利用这项技术开发出一种高性能的六元素超级合金。该合金的成分包括42%的铝、25%的钛、13%的铌、8%的锆、8%的钼和4%的钽。这种合金具有坚固、轻便和出色的耐热性。

这些特性对于发电厂中使用的涡轮机尤为重要，因为涡轮机在全球发电量中占据73%。事实上，驱动涡轮机的气体温度越高，转速越快，效率也越高。

△通过密度泛函理论计算，该研究揭示了与温度无关的硬度以及形成多相结构的热力学优势，从而对观察结果提供了合理的解释

当加热到800°C（1472°F）（发电厂涡轮机的常见温度）时，这种超级合金比许多其他为类似目的设计的合金更坚固、更轻。这一突破表明了超级合金在动力涡轮机以外的潜在应用，尤其在航空航天领域，这些领域需要材料具备坚固、轻便并能够抵抗极端温度变化。

研究人员还发现，超级合金的性能与计算机模型生成的预测相关，该模型旨在预测元素的特定组合如何传导热能。这些预测结果表明，未来的计算机模型可能能够帮助预测哪些元素组合可能会产生新的有用的超级合金。

为了将最近创造的超级合金引入主流制造，研究团队努力寻找一种经济有效的方法来扩大3D打印的规模，同时确保成品无微裂纹的问题，这在大规模生产中可能面临挑战。克服这些挑战将有助于使我们日常使用的动力机器变得更强大、更高效，同时减少对环境的影响。